基于谐波特性的光伏孤岛与低电压穿越同步检测方法

赵禹灿，姜 旭，孙福寿，葛路明，孙铭徽，于 淼

基于谐波特性的光伏孤岛与低电压穿越同步检测方法

赵禹灿1，姜 旭2，孙福寿2，葛路明3，孙铭徽1，于 淼1

(1.浙江大学电气工程学院，浙江 杭州 310015；2.国网吉林省电力有限公司，吉林 长春 130000；3.中国电力科学研究院(南京分院) 江苏 南京 210000)

针对光伏并网系统孤岛保护与低电压穿越之间的运行冲突问题，提出了一种基于谐波特性的光伏孤岛与低电压穿越同步检测方法。根据系统在并网、孤岛、电压扰动三种运行状态下谐波电压的不同，用傅里叶级数定量分析了频谱泄漏对谐波检测的影响，同时在考虑主电网背景谐波对谐波检测的影响后，推导了谐波电压阈值的整定公式。在此基础上，给出了同步检测实现方案及其算法流程，并在仿真软件平台上验证。从“协鑫边昭光伏电站带边昭变孤岛试验”的数据中提取的谐波特性曲线进一步验证了所提的谐波电压阈值可以识别孤岛现象。理论分析、仿真实验以及现场实验都证明了所提的谐波电压阈值可以作为区分孤岛现象和电压暂态扰动现象的依据，所提的基于谐波特性的同步检测方法可以有效协调光伏并网系统孤岛保护和低电压穿越两种功能。

光伏；并网；孤岛保护；低电压穿越；背景谐波；频谱泄漏；同步检测

0 引言

为了解决日益严峻的能源危机和环境问题[1]，新能源技术尤其是光伏发电技术近年来得到飞速发展[2-3]。光伏电源具有布置灵活、不受地域限制、适用于分布式接入电网等优势[4]，接入配电网中不仅可以有效缓解当地的电力紧张格局，还能为光伏投资者带来收益[5]。光伏电站的运行机理和常规发电机组存在较大差异，大规模光伏电站并网势必会对电力系统的安全稳定运行带来严峻的挑战[6-7]。为了保证电网安全稳定运行，光伏并网系统须同时具备孤岛保护和低电压穿越两种能力。

孤岛是指某一供电区域失去系统电源时，由该区域的分布式电源继续向负荷供电，从而形成一个独立不可控的自给式供电区域[8-9]。而孤岛保护则是指当网侧断路器断开、系统处于孤岛状态时，光伏电站应及时解列，以保证人员设备安全[10-11]。另一方面，大量光伏发电系统接入电网以后，因电网故障而快速将光伏切出电网会对电网系统造成严重的冲击，影响系统的稳定性[12]。因此光伏发电系统应具有低电压穿越能力。低电压穿越是指当网侧电压短时跌落时，光伏电站应保持并网状态运行一段时间，以维持电压与频率的稳定[13]。这就带来了一个难题，即当检测到公共耦合点(Point of Common Coupling, PCC)电压跌落时，光伏并网系统如何选择低电压穿越或者孤岛保护动作。当光伏并网系统处于孤岛状态时，执行低电压穿越操作不仅会影响孤岛检测效果，而且还会对设备与人员造成伤害；而当网侧电压发生暂态扰动时，执行孤岛保护的停机动作会使低电压穿越失败[14]。

为了避免这一矛盾，目前我国电网的低电压穿越与孤岛检测并不是同步进行的，而是在发生电压跌落时，保持并网状态运行在国标规定的低电压穿越时间后再进行孤岛检测。然而，根据GB/T 19964－2012、IEEE Std. 1547.1－2020等国内外标准[15-23]的规定，在PCC电压跌落以后，孤岛保护要求系统在2 s内解列，低电压穿越则要求系统保持2 s不脱网。显然上述执行方式优先保证光伏并网系统的低电压穿越能力，而在孤岛保护动作时间上与各并网准则相悖。

为了使孤岛保护动作时间和低电压穿越时长均能符合并网准则，光伏并网系统需要同时进行低电压穿越与孤岛检测，对电压暂态扰动与孤岛状态进行准确而快速的区分，然而目前对此鲜有研究。文献[14]提出了一种基于无功功率扰动的低电压穿越与孤岛同步检测算法，但是该算法是基于网侧电压暂态扰动时频率不变这一前提的，未考虑主电网在故障时的频率偏移。文献[24]提出了一种基于阻抗特性的孤岛保护和故障穿越协调运行方法，但是需要外加1.5次谐波源来测取谐波阻抗，不仅成本高，而且会对电能质量产生影响。文献[25]利用负序电流注入实现孤岛保护和不平衡故障穿越，但是未能实现三相对称故障时的低电压穿越。文献[26-27]把并网准则中所规定的低电压穿越曲线的上方区域划分为低电压穿越区域，其下方区域划分为孤岛保护区域，未能从根本上解决两者的冲突问题，依然有可能发生孤岛误判。文献[28]把低电压持续的时间作为区分孤岛现象和电压暂态扰动的依据，这并不完全符合并网准则的要求。

针对上述问题，本文根据孤岛前后和网侧电压跌落前后PCC谐波电压的变化特性差异，提出了一种基于谐波特性的光伏孤岛与低电压穿越同步检测方法。该方法可以有效区分孤岛现象与网侧电压跌落现象，进而执行不同操作，保护人员与设备安全。

1 孤岛与电压暂态扰动的区分

1.1 不同故障类型的谐波特性分析

图1为IEEE Std. 1547.1[16]所提出的光伏并网系统经典模型，本地负荷为RLC并联恒阻抗负载。为了分析方便，本节假设主电网背景谐波为0。由图1易求次谐波的负载阻抗Z，其值为

式中：R、L、C为并联负载参数；为工频对应的角频率。

在系统并网运行的情况下，断路器闭合，PCC的次谐波电压与谐波电流满足式(2)。

在孤岛运行的情况下，断路器断开，谐波电压与谐波电流之间的关系变为

由式(2)和式(3)可知，孤岛发生前后谐波电压的比值为[29]

因此，孤岛运行时谐波电压(有效值)的理论值为式(5)。

在网侧电压发生暂态扰动的情况下，断路器依旧闭合，扰动后经过一段时间PCC电压会达到新的稳态，此时S与本地负荷并未断开连接，因而谐波电压与谐波电流满足式(7)。

1.2 背景谐波和频谱泄漏对故障检测的影响

上节结论建立在两个理想化假设上：(1) 主电网背景谐波为0；(2) 故障前后频率不变，即0恒定。

另一方面孤岛现象和电压暂态扰动均有可能导致系统频率发生变化。因为故障后的频率很难确定，而其具体数值通常不会偏离工频太远，所以目前多数学者[25]仍以工频下的阻抗Z来分析电压谐波的幅值，即认为式(3)和式(7)依然成立。那么引入了一个新的问题——频谱泄漏。

频谱泄漏是信号频谱中各谱线之间相互影响使测量结果偏离实际值，同时在谱线两侧其他频率点上出现一些幅值较小的假谱。简单来说，造成频谱泄漏的是采样频率，而不是信号频率的整数倍，造成周期采样信号的相位在始端和终端不连续[30]。例如，假设网侧电压暂态扰动以后系统频率由50 Hz变为49.5 Hz，且稳定，此时系统中的100 Hz谐波幅值是接近于0的，但实际上，以现有谐波分析技术所得到的谐波谱线中依然会存在100 Hz谐波。这是因为“幅值较大的49.5 Hz间谐波”的存在干扰了对“幅值为0的50 Hz基波”的2次谐波的检测，造成了频谱泄漏。

频谱泄漏在电力检测中是普遍存在的，国内外学者通过给检测器加窗函数或者设置频率追踪功能等各种技术来抑制频谱泄漏现象，但目前仍旧无法完全消除。本文的研究并不是试图抑制或消除频谱泄漏现象，而是把频谱泄漏作为一个考虑因素应用于所提出的同步检测方法。

综上，式(8)所给出的实际检测到的谐波与理论分析得出的谐波之间的关系可以修正为

1.3 谐波电压阈值的整定

图2 2次谐波电压的函数图像

综上可得：

式中，N是PCC处的电压等级。

式(18)定量地给出了区分孤岛现象与电压暂态扰动的阈值，它可以作为仿真模型中或者工业实际中光伏电站故障处理的有效判据。

2 同步检测实现方案

步骤1：采集PCC电压、电流及频率等信息，对电压做快速傅里叶变换(FFT)，提取次谐波电压U(有效值)。

步骤2：将实时检测的频率PCC与正常频率0相比较。若PCC在正常范围内(49.5～50.2 Hz)，则执行步骤3；若PCC超出并网准则[15-23]所规定的频率允许范围(48Hz ～ 50.5 Hz，考虑频率适应性，该范围要大于正常范围)且持续0.1 s以上(为避免暂态过程的影响[14])，则判定系统处于孤岛状态，并执行孤岛保护动作。

步骤3：将实时检测的电压有效值PCC与正常电压0相比较。若PCC明显低于正常值，则判定系统处于非正常运行状态(根据上文分析，此时系统有可能处于孤岛状态或者电压暂态扰动状态)，执行步骤4；若检测到PCC等于正常值，则继续正常运行。

步骤5：执行低电压穿越。

1) 根据电压状态信息判断是否满足不脱网条件[15-23]，若满足则执行2)，否则光伏电站立即解列；

2) 进入低电压穿越运行状态即光伏系统保持并网运行，根据相关标准[15-23]为暂态运行期间PCC电压提供暂态无功支撑；

图3 同步检测方法算法流程图

3) 经过最大穿越时限max后，判断电压是否达到正常值，若达到，则恢复正常运行，否则低电压穿越失败，光伏电站立即解列。

从上述流程可以看出，为了综合考虑电压、频率、谐波等各个电气量的作用，本节的方案还考虑了孤岛的频率保护。在判断电压是否异常之前首先判断频率是否异常，若频率异常，则可直接判定系统处于孤岛状态。这么设置的原因在于：1) 频率检测法单独以频率作为判据，存在较大的检测盲区，所以需要结合电压检测法来判定故障；2) 电压检测法有可能混淆孤岛现象与电压暂态扰动现象，从而造成孤岛误判和低电压穿越失败，所以需要进一步结合谐波检测法来分析系统运行状态。

3 算例分析

3.1 仿真实验分析

表1 仿真参数设置

仿真主要研究故障前后谐波的变化，为了尽可能地放大频谱泄漏对故障后谐波的影响，同时避免频率保护系统对本文所提方法的干扰，把频率控制在正常范围(49.5～50.2 Hz)的边界。此外，为了控制变量以进行对照实验，本文通过调节负荷参数以及设置主电网参数，将电压暂态扰动期间的PCC处电压和频率设置为与孤岛期间相同，即：两种故障出现后，PCC处电压由220 V降至147 V，频率均由50 Hz偏移至49.5 Hz。对应的仿真结果如图4、图5所示。

图4 孤岛发生前后PCC谐波电压幅值仿真结果

图5 电压暂态扰动前后PCC谐波电压幅值仿真结果

分析表2中的数据可以得到以下几点结论。

表2 仿真结果数据分析

注：表内电压数据均为有效值。

3.2 现场实验分析

2019年10月18日，国网吉林省电力有限公司和中国电力科学研究院有限公司合作开展了“协鑫边昭光伏电站带边昭变孤岛试验”，实验线路如图6所示。

现场实验人员在07：43和09：35时进行了两次孤岛运行，本文仅以07：43时这次孤岛运行为例验证所提方法。在孤岛运行前，现场实验人员通过人为调节光伏电站的有功出力和无功出力，使之与本地负荷相匹配(即使光伏电站工作在传统的孤岛检测盲区)，从而使孤岛发生以后的频率和电压尽可能稳定在正常范围，实现持续性的孤岛运行。

实验过程为：07：43时在准备工作就绪后，断开开通变开太线开关，光伏电站带边昭变孤岛运行。5 s左右，孤岛系统频率跌至45 Hz，光伏逆变器低频保护告警，延时0.2 s保护动作；之后逆变器电压跌至50%额定电压以下，逆变器II段低压解列保护动作；延时0.1 s后，频率电压紧急控制装置动作，光伏并网开关跳开，孤岛运行终止。

图6 孤岛实验线路图

图7 孤岛发生前后PCC处2次谐波电压幅值

4 结论

针对光伏并网系统孤岛保护与低电压穿越之间的运行冲突问题，本文计算分析了孤岛和网侧电压跌落前后两种故障谐波电压的变化特性，综合考虑了主电网背景谐波和频谱泄漏对谐波检测的影响，提出了一种基于谐波特性的同步检测方法，并给出了作为检测依据的谐波电压阈值。该方法可以有效辨识PCC电压跌落的原因，使孤岛保护措施和低电压穿越操作互不干扰，确保光伏并网系统的安全稳定运行。

下一步研究将考虑控制器检测到PCC处电压异常时，低电压穿越所要求的动态无功支撑与主动式孤岛检测法之间的配合问题。

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Simultaneous detection method for photovoltaic islanding and low-voltage-ride-through based on harmonic characteristics

ZHAO Yucan1, JIANG Xu2, SUN Fushou2, GE Luming3, SUN Minghui1, YU Miao1

(1. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310015, China; 2. State Grid Jilin Electric Power Co., Ltd., Changchun 130000, China; 3. China Electric Power Research Institute (Nanjing Branch), Nanjing 210000, China)

In order to solve the operation conflict between islanding protection and low-voltage-ride-through of grid-connected photovoltaic system, a simultaneous detection method for photovoltaic islanding and low-voltage-ride-through based on harmonic characteristics is proposed. According to the differences of the system harmonic voltages among three operating states, i.e. grid-connected operation, islanding operation and voltage transient perturbation, the influence of spectrum leakage on harmonic detection is quantitatively analyzed by Fourier series. After the influence of the background harmonic in main grid is considered, the setting formula of the harmonic voltage threshold is derived. Based on that the simultaneous detection implementation scheme and its algorithm flow are given, which are verified on simulation software platform. The harmonic characteristic curve extracted from the data of “Islanding Operation Test of Xiexin-Bianzhao Photovoltaic Power Station Carried with Bianzhao Transformer” further verifies that the proposed harmonic voltage threshold can identify the islanding phenomenon.Both theoretical analysis and simulation experiments show that the proposed harmonic voltage threshold can be used as the basis to distinguish the islanding phenomenon from the voltage transient perturbation phenomenon. And the proposed simultaneous detection method based on harmonic characteristics can effectively coordinate the two functions of grid-connected photovoltaic system, i.e. islanding protection and low-voltage-ride-through.

This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2017YFB0902002).

photovoltaic; grid-connected; islanding protection; low-voltage-ride-through; background harmonic; spectrum leakage; simultaneous detection

10.19783/j.cnki.pspc.210380

国家重点研发计划项目(2017YFB0902002)；国网吉林省电力有限公司科技项目(SGJL0000DKJS1800321)；中国电力科学研究院南京分院科技项目(NYN51201900639)

2021-04-10；

2021-07-17

赵禹灿(1995—)，男，硕士研究生，研究方向为微电网逆变控制；E-mail: 21960100@zju.edu.cn

于 淼(1984—)，男，通信作者，博士，副教授，研究方向为配电网与微电网运行控制。E-mail: zjuyumiao@ zju.edu.cn

(编辑 姜新丽)